Σε μια πρόσφατη μελέτη, ερευνητές από την Κίνα ανέπτυξαν ένα τσιπ{0}}σύστημα LiDAR κλίμακας που μιμείται τη λάμψη του ανθρώπινου ματιού συγκεντρώνοντας δυναμικά την ανίχνευση υψηλής{1} ανάλυσης στις περιοχές ενδιαφέροντος (ROI) διατηρώντας παράλληλα ευρεία επίγνωση σε όλο το οπτικό πεδίο.
Η μελέτη δημοσιεύεται στο περιοδικόΕπικοινωνίες για τη φύση.
Τα συστήματα LiDAR ενισχύουν την μηχανική όραση σε αυτοκινούμενα-αυτοκίνητα, drones και ρομπότ εκτοξεύοντας ακτίνες λέιζερ για να χαρτογραφήσουν τρισδιάστατες σκηνές με ακρίβεια χιλιοστού. Το μάτι συγκεντρώνει τους πιο πυκνούς αισθητήρες του στο βοθρίο (αιχμηρό κεντρικό σημείο όρασης) και στρέφει το βλέμμα σε αυτό που είναι σημαντικό. Αντίθετα, τα περισσότερα LiDAR χρησιμοποιούν άκαμπτες παράλληλες δέσμες ή σαρώσεις που διαχέουν παντού ομοιόμορφη (συχνά χοντρή) ανάλυση. Η ενίσχυση της λεπτομέρειας σημαίνει την ομοιόμορφη προσθήκη περισσότερων καναλιών, γεγονός που αυξάνει το κόστος, την ισχύ και την πολυπλοκότητα.
Η σχεδίαση της ομάδας επιτυγχάνει γωνιακή ανάλυση "πέρα από-αμφιβληστροειδούς" 0,012 μοιρών σε απόδοση επένδυσης-διπλάσια από το όριο των 0,017 μοιρών κατά προσέγγιση του ματιού. Αυτό σημαίνει ότι το σύστημα μπορεί να διακρίνει σημεία που χωρίζονται από τις μικρότερες γωνίες, όπως η επιλογή λεπτών λεπτομερειών σε μια μακρινή οδική πινακίδα. Ανακατανέμει τα κανάλια παράλληλης ανίχνευσης κατ' απαίτηση, αποφεύγοντας την δαπανηρή ωμή-κλιμάκωση της δύναμης.
Το Phys.org μίλησε με τους συν-{1}}συγγραφείς της μελέτης, Ruixuan Chen και Xingjun Wang, από τη Σχολή Ηλεκτρονικών του Πανεπιστημίου του Πεκίνου.
«Το κίνητρο προέρχεται από μια πρακτική αναντιστοιχία μεταξύ βιολογικής και μηχανικής αντίληψης», εξήγησαν οι ερευνητές. "Το ανθρώπινο μάτι επιτυγχάνει υψηλή οξύτητα και ενεργειακή απόδοση με την ανακατανομή της προσοχής-διατηρώντας την ευρεία επίγνωση ενώ συγκεντρώνει τους πόρους σε ό,τι έχει σημασία. Αντίθετα, η ανάλυση LiDAR επιδιώκεται συχνά από 'περισσότερα κανάλια παντού', τα οποία γίνονται γρήγορα ακριβά-και δεν χρειάζονται ενέργεια."
Το πρόβλημα της κλιμάκωσης
Τα συστήματα μηχανικής όρασης έχουν επεκταθεί πέρα από τις παραδοσιακές κάμερες και περιλαμβάνουν αισθητήρες LiDAR, οι οποίοι επιτρέπουν ακριβή μέτρηση απόστασης και τρισδιάστατη περιβαλλοντική αντίληψη. Σε αντίθεση με τις παθητικές κάμερες, ωστόσο, το LiDAR απαιτεί υλικό εκπομπής και λήψης για κάθε pixel, περιορίζοντας την εφικτή ανάλυση.
Οι τρέχουσες προσεγγίσεις για τη βελτίωση της ανάλυσης LiDAR αντιμετωπίζουν ένα κρίσιμο εμπόδιο. Η αντιγραφή καναλιών προσφέρει κέρδη γραμμικής ανάλυσης, αλλά πυροδοτεί υπεργραμμικές εκρήξεις σε πολυπλοκότητα, ισχύ και κόστος.
"Πρώτον, η ανάλυση είναι στενά συνδεδεμένη με τον αριθμό καναλιών υλικού και τη μηχανική σάρωσης. Δεύτερον, το LiDAR είναι ένας ενεργός αισθητήρας: κάθε εικονοστοιχείο κοστίζει αποτελεσματικά και πόρους μετάδοσης και λήψης", εξήγησαν οι ερευνητές. "Αυτό καθιστά την προσαρμοστική εστίαση ουσιαστικά πιο δύσκολη από ό,τι στην παθητική απεικόνιση, επειδή πρέπει να διαχειριστείτε την οπτική ισχύ, την ευαισθησία του δέκτη και το εύρος ζώνης ψηφιοποίησης, ενώ ταυτόχρονα τηρείτε τους περιορισμούς ασφαλείας-".
Για συνεκτική συχνότητα-ρυθμιζόμενο συνεχές κύμα LiDAR, αυτή η πρόκληση είναι ιδιαίτερα έντονη. Κάθε συνεκτικό κανάλι απαιτεί σταθερό έλεγχο συχνότητας, εξελιγμένο υλικό λήψης και αυστηρή βαθμονόμηση. Αυτό καθιστά πολύ πιο δύσκολο να δικαιολογηθεί οικονομικά η μαζική αντιγραφή καναλιών.
Βιομιμητικό διάλυμα
Η λύση των ερευνητών συνδυάζει δύο βασικές τεχνολογίες. Αυτά περιλαμβάνουν ένα ευέλικτο εξωτερικό-λέιζερ κοιλότητας (ECL) με εύρος συντονισμού άνω των 100 nm και επαναδιαμορφώσιμες χτένες ηλεκτρο-οπτικής συχνότητας χτισμένες σε πλατφόρμες λεπτού-υμενίου νιοβικού λιθίου (TFLN).
Το ECL παρέχει υψηλής ποιότητας-σήματα chirp FMCW για συνεκτική εμβέλεια και λειτουργεί ως μηχανισμός διεύθυνσης-ελεγχόμενης δέσμης- σε μήκος κύματος. Συντονίζοντας το κεντρικό μήκος κύματος, το σύστημα μπορεί γρήγορα να ανακατευθύνει την κατεύθυνση θέασής του σε ένα ευρύ οπτικό πεδίο.
Στη συνέχεια, η ηλεκτρο-οπτική χτένα δημιουργεί πολλαπλούς παράλληλους φορείς FMCW από την ίδια πηγή λέιζερ που κελαηδούν. Βασικά, η προσαρμογή των συνθηκών κίνησης ραδιοσυχνοτήτων αλλάζει την απόσταση των χτενών.
"Αυτό είναι που δίνει τη δυνατότητα "ζουμ"-μπορούμε να αυξήσουμε την πυκνότητα σημείου σε μια επιλεγμένη περιοχή (λεπτότερη δειγματοληψία) ή να τη χαλαρώσουμε (αδρότερη δειγματοληψία) χωρίς να αλλάξουμε τα οπτικά ή να προσθέσουμε κανάλια", πρόσθεσαν οι ερευνητές.
Το σύστημα χρησιμοποιεί αυτό που οι ερευνητές αποκαλούν «μικρο-παραλληλισμό». Αυτό σημαίνει τη χρήση ενός μέτριου αριθμού φυσικών καναλιών για να επιτευχθεί το ισοδύναμο πολύ περισσότερων γραμμών σάρωσης μέσω δυναμικής επανατοποθέτησης.
Πειραματική επικύρωση
Η ομάδα έδειξε τις δυνατότητες του συστήματος σε τρία πειραματικά σενάρια, επιτυγχάνοντας γωνιακή ανάλυση 0,012 μοιρών σε εστιασμένες περιοχές-που ξεπερνούν το ονομαστικό όριο του ανθρώπινου αμφιβληστροειδούς.
Στην απεικόνιση στατικής σκηνής, το σύστημα κατέγραψε ένα περιβάλλον προσομοίωσης δρόμου σε αναλύσεις 54 επί 71 εικονοστοιχεία για σαρώσεις πλήρους πεδίου--όψης και 17 επί 71 εικονοστοιχεία για τοπικά εστιασμένες σαρώσεις. Αυτές οι εστιασμένες σαρώσεις τετραπλασίασαν την κατακόρυφη πυκνότητα λεπτομέρειας, αποκαλύπτοντας εμπόδια που προηγουμένως ήταν αόρατα, με το 90% των σημείων να έχουν ακρίβεια κάτω από 1,3 cm.
Οι ερευνητές επέδειξαν επίσης τη σύντηξη κάμερας LiDAR-, δημιουργώντας χρωματισμένα σημεία σύννεφα που συνδυάζουν ακριβή τρισδιάστατη γεωμετρία με δεδομένα εμφάνισης RGB. Κατά τη σύγκριση τυπικών και εστιασμένων σαρώσεων, η ευθυγράμμιση του ιστογράμματος χρώματος βελτιώθηκε κατά περίπου 10%, υποδεικνύοντας καλύτερη αντιστοιχία μεταξύ σημείων 3D και εικονοστοιχείων εικόνας.
«Με τη σύντηξη του LiDAR με μια κάμερα, δημιουργούμε χρωματισμένα σύννεφα σημείων και εμπλουτίζουμε την αναπαράσταση της σκηνής, η οποία βελτιώνει την ερμηνευτικότητα και υποστηρίζει εργασίες αντίληψης κατάντη που εξαρτώνται από την υφή και τα σημασιολογικά στοιχεία», εξήγησαν οι ερευνητές.
Ίσως το πιο εντυπωσιακό είναι ότι η ομάδα απαθανάτισε-4D-συν την απεικόνιση-μια μπάλα μπάσκετ σε πραγματικό χρόνο, όπου κάθε σημείο έδειχνε ταυτόχρονα τη θέση, την ταχύτητα περιστροφής, την ανακλαστικότητα της επιφάνειας και το χρώμα. Στα 8 Hz σε ένα ευρύ οπτικό πεδίο, αυτό αποκάλυψε μοτίβα κίνησης αόρατα στο τυπικό 3D LiDAR.
Η πειραματική εργασία αποκάλυψε σημαντικές ανταλλαγές-σε επίπεδο συστήματος που ενημερώνουν τις μελλοντικές διαδρομές ανάπτυξης.
"Η πιο ξεκάθαρη είναι η ένταση μεταξύ της γωνιακής ανάλυσης και του χώρου κεφαλής μέτρησης ανά κανάλι", σημείωσαν οι ερευνητές. "Στην παράλληλη συνεκτική ανάγνωση, κάθε κανάλι πρέπει να καταλαμβάνει τη δική του μη-αλληλεπικαλυπτόμενη ηλεκτρική ζώνη. Όταν μειώνουμε τον ρυθμό επανάληψης, μπορούμε πράγματι να πιέσουμε τη γωνιακή δειγματοληψία λεπτότερα, αλλά το πείραμα δείχνει ότι αυτό συμπιέζει επίσης το εύρος ζώνης ανάγνωσης ανά-κανάλι."
Η ομάδα προσδιόρισε αρκετές κατευθύνσεις προτεραιότητας για την προώθηση της τεχνολογίας προς την πρακτική ανάπτυξη. Αυτά περιλαμβάνουν βαθύτερη μονολιθική ενσωμάτωση σε πλατφόρμες TFLN, ανάπτυξη πηγών σάρωσης εξαιρετικά ευρείας ζώνης για βελτιωμένη ανάλυση εύρους και εφαρμογή πολιτικών προσοχής κλειστού-βρόχου για την αντίληψη που βασίζεται σε συμβάντα.
Τα τρέχοντα πειράματα που χρησιμοποιούν συνδέσμους ινών εισάγουν αστάθεια πόλωσης που περιορίζει τις δυνατότητες ταξινόμησης υλικών.
"Ωστόσο, οραματιζόμαστε ότι η μονολιθική ολοκλήρωση θα λύσει θεμελιωδώς αυτό το στενό", είπαν οι ερευνητές. "Με τη μετάβαση από ασταθείς διαδρομές ινών σε περιορισμένους κυματοδηγούς-τσιπ, μπορούμε να επιτύχουμε σταθερή ανάκτηση πόλωσης."
Το βιονικό σύστημα LiDAR προσφέρει πιθανές εφαρμογές που καλύπτουν αυτόνομα οχήματα, εναέρια και θαλάσσια drones, ρομποτική και νευρομορφικά συστήματα όρασης. Πέρα από το LiDAR, οι επαναδιαμορφώσιμες χτένες επιτρέπουν γρήγορη φασματική ανάλυση για οπτικές επικοινωνίες, τομογραφία συνοχής, αισθητήρα συμπίεσης και μετρολογία ακριβείας, σύμφωνα με τους ερευνητές.
